NG重磅丨华中农大发表甜橙和酸橙T2T基因组
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甜橙是全球最重要的水果作物之一。但由于甜橙遗传背景单一，导致甜橙对病害威胁极为敏感，容易遭受多种毁灭性病害的侵袭。阐明甜橙的起源有助于驯化新的甜橙品种，使其更好地应对新的挑战。
近日，华中农业大学的徐强教授团队，在国际著名期刊《Nature Genetics》发表了标题为“Origin and de novo domestication of sweet orange”的研究论文。在本研究中，作者组装了甜橙和酸橙的T2T单倍型分型基因组，研究结果阐明了甜橙的起源，并通过从头驯化培育出了抗病的甜橙，为快速驯化多年生作物提供了一种新的策略。
一、中国南方区域酸橙的多样性
作者对118份酸橙和地方柑橘以及76份栽培柑橘进行了测序，加上之前发表多份柚子、柑橘和甜橙基因组数据一起进行群体基因组学分析。PCA结果显示，柚子和柑橘之间的变异最大。PCA和系统发育分析将酸橙分为三组，这些组别与其地理分布基本一致。而所有甜橙品种在PCA图中汇聚为一个点，且更接近来自NYW地区的酸橙组别。这些数据表明，酸橙和甜橙之间存在密切的亲缘关系。
为了探索酸橙和甜橙的遗传组成，作者进一步通过全基因组分析，确认甜橙品种共享几乎相同的遗传背景，这与大多数甜橙品种源自体细胞突变的观点一致。而酸橙的基因组几乎完全为杂合状态，一个等位基因来自柑橘，另一个来自柚子，这与酸橙是柑橘和柚子杂交F1代的观点一致，并且酸橙和甜橙的基因组大部分共享来自柑橘和柚子的大片段杂合区域。
图1：中国南方区域柑橘物种的遗传多样性
二、甜橙和酸橙单倍型T2T基因组
为了阐明甜橙的遗传起源，作者分别构建了甜橙（Citrus sinensis）和酸橙（Citrus aurantium）的单倍型端粒到端粒（T2T）基因组。
作者通过结合PacBi HiFi（189×）和Nanopore Ultra-long（82×）以及97× Hi-C数据，生成了一个高杂合度（约2%）的端粒到端粒（T2T）基因组。根据与柑橘和柚子基因组的序列相似性，作者将甜橙的两套同源染色体根据与柑橘和柚子的基因组相似性分为两个单倍型‘SWO-M’和‘SWO-P’。通过BUSCO评估、测序数据覆盖度等评估了两个T2T单倍型基因组的高质量组装，FISH实验也验证和支持了端粒和着丝粒组装的完整性。
对于酸橙的单倍型T2T基因组，作者结合PacBio HiFi（102×）和Nanopore Ultra-long（157×）和115×HiC数据组装了‘ZGSC’酸橙的两套单倍型T2T基因组，两套同源染色体被分类为‘SSO-M’（起源于柑橘）和‘SSO-P’（起源于柚子）染色体。酸橙T2T基因组组装完成了所有18个着丝粒和大部分端粒。
作者进一步对柑橘‘莽山’、柚子‘紫皮’、柑橘‘椪柑’和天然杂交甜橙‘TJH2’四个品种进行了PacBio或Nanopore测序，结合HiC数据，生产了四个品种的染色体级别基因组，基因组大小为333–365.5 Mb，contig N50平均值高达20.7 Mb。
图2：甜橙单倍型T2T基因组
表1：甜橙和酸橙单倍型T2T基因组组装数据
三、甜橙起源解析
作者利用305份柑橘品种的NGS数据并结合测序的T2T参考基因组进行相关分析，提出甜橙起源于酸橙（母本）与椪柑类柑橘（父本）的杂交，而酸橙则是野生柑橘与柚子更古老杂交的后代。巧合概率也支持了上述推断，甜橙源自酸橙和椪柑柑橘的概率为82.97 ± 2.77%，而酸橙是柚子与柑橘杂交后代的概率为84.55 ± 3.01%。
图3：甜橙的起源解析
四、甜橙多样性引入
为了测试起源模型并向甜橙引入多样性，作者设计并使用抗性基因型‘ZGSC’作为母本，椪柑柑橘作为父本进行杂交实验。获得了892个胚胎，并验证了215个胚胎为杂交个体。在杂交群体中观察到果实品质和抗病性方面的显著性状变异。PCA分析进一步证明获得了一个高度多样化的杂交群体。在这些杂交种中，有三个在PCA分析中与商业甜橙几乎重叠。这三个杂交种果实形状、果皮颜色和果实风味等特征均与甜橙非常相似。作者通过对这三个杂交种进行基因组测序分析。结果表明作者的杂交实验支持甜橙源自酸橙与柑橘杂交的模型。
图4：甜橙的重头驯化
五、抗溃疡病甜橙代谢物选择
为探究酸橙对Xcc抗性的分子机制，作者进一步分析了Xcc易感基因CsLOB1的表达和序列变异，发现抗性与易感基因型间无显著差异，表明抗性非由CsLOB1介导。
通过比较代谢组分析，鉴定出2,027种代谢物，其中215种在抗性品种叶片中显著积累，而在果实中水平较低。进一步筛选出16种化合物，发现13种对Xcc有抑菌作用，尤其是香豆素类代谢物瑞香素和七叶亭，对多种病原菌表现出广谱抗菌活性。通过代谢物检测筛选出29个杂交种，其中5个积累了更高水平的瑞香素和O-阿魏酰-2-羟基香豆素，3个对柑橘溃疡病表现出抗性。作者通过大量RNA-seq测序数据，鉴定出248个在抗性品种叶片中上调的基因，包括参与香豆素和黄酮类生物合成的基因，与防御代谢物积累一致。
图5：抗溃疡病甜橙抗性相关代谢物的鉴定
结语
本文通过构建甜橙和酸橙的单倍型T2T基因组，推断并验证了了甜橙是酸橙与柑橘杂交产生，另外开发了一种利用酸橙进行甜橙从头驯化的策略。通过选择高度杂合的亲本并设计具有高选择效率的液相芯片，获得了基因组序列、代谢物和抗病性均具有广泛多样性的甜橙。这项研究也为多年生作物的代谢物选择提供了相应理论验证。
参考文献
Liu, S., Xu, Y., Yang, K. et al. Origin and de novo domestication of sweet orange. Nat Genet (2025). https://doi.org/10.1038/s41588-025-02122-4
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